（测试计量技术及仪器专业论文）硅基单反应腔pcr生物芯片的设计与制作.pdf

摘要 生物分析仪器的微型化和集成化发展趋势导致了微全分析系统这一概念的提出。目 前，以微细加工工艺为基础的生物芯片技术蓬勃发展，由此而产生的芯片实验室将使微 全分析成为可能。本文所研制的聚合酶链式反应( p o l y m e r a s ec h a i nr e a c t jo n ，简称 p c r ) 芯片是生物芯片的一种，是芯片实验室的重要组成部分之一。 p c r 技术是一种基因片断体外扩增技术，由于其具有扩增速度快、操作简便等特点， 在生物医学等领域获得了广泛应用。在生物芯片上完成p c r 扩增可以极大地缩短反应时 间，减少试剂消耗，能够取得令人满意的效果。本文根据p c r 芯片的发展现状，对芯片 的设计和制作进行了研究。 本文在p c r 芯片设计中，利用a n s y s 有限元软件作为主要的分析工具，对p c r 芯片 微反应池底部加热器所产生的温度分布和热特性进行了仿真分析，根据分析结果确定了 芯片版图设计方案，利用硅基微细加工技术完成了芯片的制作。针对初期制备的铬薄膜 电阻温度系数较低的问题，根据薄膜理论分析，研究了影响铬薄膜电阻温度系数的主要 因素，根据实验结果不断改进铬薄膜电阻制备工艺，最终制作出了基本满足检测要求的 热敏电阻薄膜。本论文还设计了与p c r 芯片配套的温度控制系统，该系统以a t 8 9 c 5 l 单 片机为核心，利用a d 变换器等构成数据采集输入通道，采用p i d 控温算法及p w m 技术 实现驱动输出，研制出升温迅速、控温准确的p c r 芯片温控系统，实现了单反应腔体p c r 芯片的三温区热循环和控制。 关键词：p c r 生物芯片：热分析；薄膜电阻温度系数；温度控制系统 a b s t r a c t t h ec o n c e p to fm i c r ot o t a la n a l y s i ss y s t e mh a sb e e np u tf o r w m dw i t ht h ed e v e l o p m e n to f m i n i a t u r i z a t i o na n di n t e g r a t i o no fa n a l y s i si n s t r u m e n ti nb i o c h e m i s t r y a tp r e s e n t , t h eb i o c h i p b a s e d0 1 1m i c r o f a b r i c a t i o nt e c h n o l o g yg r o w s ，a n d “l a b 一0 1 1 - c h i p ”w i l l m a k em i c r ot o t a l a n a l y s i sf e a s i b l e t h ep o l y m e r a s e c h a i n r e a c t i o n ( p c r ) b i o c h i p r e s e a r c h e di nt h i sp a p e ri so n e k i n do f b i o c h i p sa n d a ni m p o r t a n tp a r to f “l a b o n c h i p ” p c ri sak i n do fd n a a m p l i f i c a t i o nt e c h u l q u eo u t s i d em eb o d y , w h i c hh a sb e e nw i d e l y a p p l i e dt ob i o m e d i c i n ea n do t h e rr e l a t e df i e l d sb e c a u s ei t i sr a p i da n de a s yt oc o n t r 0 1 p c r b i o c h i pu s e d i np c rs h o r t e n sr e a c t i o nt i m ea n dr e d u c e sq u a n t i t i e so fr a t h e re x p e n s i v er e g n t s n e e d s a n dt h er e s u l to fd n a a m p l i f i c a t i o n i ss a t i s f a c t o r y t h et u r t h e rr e s e a r c ho i lp c r b i o c h i p i sc a r r i e do u ti nt h i sp a p e r t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n dt h et h e r m a lc h a r a c t e r i s t i co fp c rb i o c h i pa r ca n a l y z e d i nt h i sp a p e rb yl l s eo fa n s y s ap o w e r f i df i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e ，a n dt h ea n a l y s i sr e s u l t s p r o v e st h a tt h ed e s i g no fp c rb i o c h i pi s f e a s i b l e i no r d e rt os o l v et h i sp r o b l e mt h a tt h e t e m p e r a t u r ec o e 街c i a n to f t h ec h r o m i u m f i l mr e s i s t a n c ef a b r i c a t e da tf i r s tw a sl o w , t h em a i n f a c t o r se f f e c t i n go nt e m p e r a t u r ec o e m c i e n ta r es t u d i e di nt h i sp a p e r0 1 1t h eb a s i so f f i l mt h e o r y a n de x p e r i m e n t sa f t e rt h ep r e p a r a t i o nm e t h o do ft h ec h r o m i t m l f i l mr e s i s t a n c ew a si m p r o v e d a c c o r d i n gt oe x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h er e l a t i v e l yi d e a lc h r o m i u m f i l mr e s i s t a n c ei sf a b r i c a t e d i na d d i t i o n ，t h et e m p e r a t u r e c o n t r o l l e ds y s t e mo fp c r b i o c h i pi sd e s i g n e d ，w h i c hi sb a s e do n a t 8 9 c 51 m i c r o c o n t r o l l e r , p i da l g o r i t t u n a n dp w m t e c h n i q u e t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o w e dt h i ss y s t e mi sa c c u r a t em a dt h er i s e f a l lr a t e so ft e m p e r a t u r ea r er a p i d k e y w o r d s = p c rb i o e h i p ；t h e r m a la n a l y s i s ；t e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t o ff i l mr e s i s t a n c e ； t e m p e r a t u r e c o n t r o l l e ds y s t e m i i 硅基单反应腔p c r 生物芯片的设计与制作 0 前言 过去几十年里，分析仪器一直朝着微型化、集成化和智能化的方向发展。9 0 年代初， 微全分析系统( m i c r ot o t a la n a l y s 7ss y s t e m s ，xt a s ) 概念被提出，其目标是实现化学 分析系统从试样处理到检测的整体微型化、自动化、集成化与便携化。由于微加工技术 和微电子技术的引入，使- t a s 的体积大大减小，也由此产生了生物芯片这一崭新的研 究领域。 目前的生物芯片主要是指通过平面微细加工技术以及超分子自组装技术，在固体芯 片表面构建的微分析单元和系统，以实现对化合物、蛋白质、核酸以及其他生物组分的 准确、快速、大信息量的筛选或检测。按通常的生物化学反应过程可将生物：卷片分为用 于样品制备的生物芯片，生化反应生物芯片及检测用生物芯片等。现在，已经有研究人 员试图将整个生化反应及检测分析过程缩微到芯片上，形成所谓的“芯片实验室” ( l a bo 1 一c h i p ) 。本文研制的聚合酶链式反应( p o l y m e r a s ec h a i nr e a c t i o n ，p c r ) 芯片 即是生化反应芯片的一种。 聚合酶链式反应技术自1 9 9 3 年获得诺贝尔奖以来，以其具有快速和操作简单等特 点，逐渐成为进展最快、应用最广的体外扩增基因片段的技术。应用传统p c r 仪进行聚 合酶链式反应，样品消耗多，实验时间长，而且人为操作的环节较多。利用p c r 芯片来 实现，设备体积小，试剂消耗量大大减少，成本降低，变温迅速，操作简单，效果明显。 因此，p c r 芯片已经成为当今生物芯片研究领域的热点之一。p c r 芯片是运用微细加工技 术，在硅片或玻璃片等材料上，加工出一系列的微通道、微反应池等空间微结构和微加 热器、微传感器等控制部件，充分利用芯片的集成化和表面积体积比大的特征，把生物 实验中常规的p c r 过程最终转移到芯片上实现。 本文针对目前研制的p c r 芯片集成度不高，外围控制设备复杂，不便于操作等问题， 设计并制作了集温度传感器和加热器于一体的p c r 芯片及温度控制系统。本课题属于生 物芯片研究领域，是国家自然科学基金项目中的部分研究内容( 基金号是：6 0 1 7 4 0 3 4 ) 。 硅基单反应腔p c r 生物芯片的设计与制作 1 绪论 生物芯片技术被誉为2 1 世纪生命科学的支撑技术，是微细加工技术和生物技术相结 合的结果，是便携式生化分析仪器的技术核心。该技术利用微细加工技术和微电子技术， 将现在生命科学研究中“各自为阵”的分析过程集成在一块火柴盒大小的生物芯片上， 使生命科学及医学工作者可以在方寸之上进行和完成一系列实验分析，专家们因此将其 称之为“微缩芯片实验室”。它的发展同当年需要数间房屋放置的由分离元件组成的计算 机被微缩成现在只有笔记本大小的电脑有异馥同工之效。采用该技术可进行生命科学和 医学所涉及的各种生物化学反应实验，从而达到对各项生化指标进行测试分析的目的。 生物芯片的出现将会给生命科学、医学科学、化学、新药开发、外太空探索、司法 鉴定、食品和环境监测等领域带来一场革命。正是由于生物芯片技术对科学研究的发展 具有极其重要的意义，以及它的广泛的应用前景和巨大的商业利益，世界上许多国家和 地区以高额投入和大量的人力对此领域开展了广泛的基础研究和应用开发，并形成了一一 批相关产业。 事实表明，生物芯片技术已经成为全球科学界瞩目的“热点”之一，是继微电子技 术之后高科技领域的又一场革命。 1 1 微全分析系统与生物芯片 1 1 1 微全分析系统 2 0 年前，分析化学达到了一个“艺术顶峰”：检测极限达到十亿分之一，检测时间 缩短到一个小时以内。另一方面，为了实现化学工业生产中的过程控制和产品质量控制， 需要剥多个参量进行快速高效的在线检测。因此，要求在一个分析检测系统中集成各种 分析化学所必需的环节和步骤，以实现对多个不同参量的实时检测，这种检测系统被命 名为t a s ( t o t a lc h e m i c a la n a l y s 【ss y s t e m ) 。t a s 系统具有自动采样、传送、信号 变换、信号处理和结果分析等功能，它极大地提高了分析检测效率，从而实现了对被测 内容的连续检测。 尽管1 1 a s 系统具有较大的优越性，但由于该系统需要将大量试样消耗在预处理阶段， 增大了化学试剂的消耗，同时也延长了分析检测时间。为了解决这些问题，微全分析系 统( m i c f ot o t a la n a l y s i ss y s t e m s ，肛- t a s ) 概念被提出，其实质是一个微型化的7 r a s 系统，其目标是实现化学分析系统从试样处理到检测的整体微型化、自动化、集成化与 便携化。由于微加工技术和微电子技术的引入，使- t a s 的体积大大减小，也由此产生 了生物芯片这崭新的研究领域。 1 1 2 生物芯片的概念及分类 目前的生物芯片主要是指通过平面微细加工技术以及超分子自组装技术，在国体芯 硅基单反应腔p c r 生物芯片的设计与制作 片表面构建的微分析单元和系统，以实现对化合物、蛋白质、核酸、细胞以及其他生物 组分的准确、快速、大信息量的筛选或检测。生物芯片的主要研究内容包括生物芯片的 具体实现技术、基于生物芯片的生物信息学以及高密度生物芯片的设计方法等等，而其 加工技术则主要依赖于微电子加工技术”1 。 通常的生物化学反应过程包括三步，即样品的制备、生化反应、结果的检测和分析。 可将不同步骤集成为不同用途的生物芯片，所以生物芯片分为三种不同的类型，例如用 于样品制备的生物芯片，生化反应生物芯片及各种检测用生物芯片”1 。 样品制备：苍片的目的是将通常需要在实验室进行的多个操作步骤集成于微芯片上。 目前，样品制备芯片主要通过升温、变压脉冲以及化学裂解等方式对细胞进行破碎，通 过微滤器、介电电泳等手段实现生物大分子的分离。 生化反应芯片是指在芯片上完成生物化学反应。与传统生化反应过程的区别主要在 于它可以高效、快速地完成生物化学反应。例如，在芯片上进行p c r 反应，可以节约实 验试剂，提高反应速度，并可完成多个片段的扩增反应。当前，由于检测和分析的灵敏 度所限，通常在对微量核酸样品进行检测时必需事先对其进行一定程度的扩增。所以， p c i 生物芯片为快速大量扩增样品多个d n a 片段提供了有力的工具。 + 用来检测生物样品的芯片是检测芯片。例如用来进行d n a 突变检测的毛细管电泳芯 片，用于表达谱检测、突变分析、多态性测定的d n a 微点阵芯片等。 “芯片实验室”是生物芯片技术发展的最终目标，它将微细加工技术制作的微过滤 器、微反应器、微泵、微阀门、微电极等集成在一块芯片上，以实现对生物样品从制备、 生化反应到检测和分析的全过程，例如可以将p c r 扩增反应和毛细管电泳集成于一块小 小的芯片之上，从而极大地缩短检测和分析时间，并节省了实验试剂。 1 1 3 生物芯片材料和加工技术 目前，生物i 墨片的加工材料主要有硅、玻璃和有机化合物三大类。硅具有化学惰 性和良好的导热性，加工工艺成熟，易于实现集成化，但是易碎，价格贵，不能透过紫 外光，电绝缘性不好，表面化学行为较复杂。玻璃具有优良的光学特性，很好的电绝缘 性，可用光刻和刻蚀技术进行加工等优点，但不能实现各向异性加工，加工成本较高， 不容易在其上集成加热器和传感器等器件。有机化合物成本低，透光性好，易于加工， 通常用硅模板来加工，因而可以运用硅工艺技术，但有机化合物不耐高温，导热系数低， 不容易在其上集成加热器和传感器等器件。 生物芯片的加工技术主要包括以硅或玻璃为加工材料的加工技术，以有机材料为加 工材料的模压或注射成型复制技术，固体表面化学修饰技术。其中以硅或玻璃为加工材 料的加工技术以传统的硅基微细加工工艺为基础，并与近几年迅速发展起来的m e m s ( m i o f 0 8 l e c t r o n i cm e c h a n i c a ls y s t e m 一微机械电子系统) 技术相给合。m e m s 是指可以 将用微电子等批量加工工艺制造的集微执行器、微传感器、集成电路等部件于一体的微 机电系统。平面工艺中的光刻、氧化、扩散、c v d 生长、镀膜、压焊、以及三维立体加 工工艺，如双面光刻、各向异性和各向同性化学腐蚀、等离子或离子束深度刻蚀、l i g a 技术、硅一硅键合、硅一玻璃键合，构成了完整的m e m s 制造技术8 。”。m e m s 技术的发展 硅基单反应腔p c r 生物芯片的设计与制作 必将加快生物芯片的研究和开发。 1 2 聚合酶链式反应( p c r ) 聚合酶链式反应( p o l y m e r a s ec h a i nr e a c t i o n ，p c r ) 是2 0 世纪8 0 年代发展起来 的一种体外核酸( d n a ) 扩增技术“。此前，d n a 扩增一般采用分子克隆法：将含有目的 基因的载体导入细胞进行扩增，并需要用探针进行筛选，涉及到d n a 酶切、连接、转化、 培养及探针杂交等技术。分子克隆法不但操作时间长，并且难度大，不利于普及。而p c r 技术具有特异、敏感、产率高、快速、简便、重复性好、易自动化等突出优点；能在一 。个试管内将所要研究的目的基因或某一d n a 片段于数小时内扩增至十万乃至百万倍，使 肉眼能直接观察和判断；可从一根毛发、一滴血、甚至一个细胞中扩增出足量的d n a 供 分析研究和检测鉴定。以前需几天时间才能做到的事情，用p c r 技术几小时便可完成。 p c r 实际上是以一定的d n a 为模板，采用聚合酶，在合适的缓冲液体系中，使反应 混合物经历几十次热循环( 9 0 。c ，5 5 ，7 2 ) 。聚合酶链式反应原理示意图如图1 1 所示。 一 | lii iilii llllliiil 5 。1 丽磊磊一 3 一 s 一 第一步：变性。趣链间氨键断裂，单链形成 3 - - - - - - - - - - 一 5 3 5 3 s ll l 5 丁 3 ，f ili 5 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一3 第二步：退火。引物与梗板互补结合 ，一5 “illiiilllliili | | iii 5 。一3 ，- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一5 。iiliiiii liililiilii s ，一3 第三步：延伸。d h 链延伸，形成新的理裢d n 图1 1 聚合酶链式反应示意图 f i g 1 1s c h e m a t i cd r a w i n go fp c r p c r 由变性一退火一延伸三个基本反应步骤构成：模板d n a 的变性：加热使模板 d n a 双链间的氢键断裂而形成两条单链：模板d n a 与引物的退火：突然降温后模板d n a 与引物按碱基配对的原则互补结合，也存在两条模板链之间的结合。但由于引物的高浓 度、结构简单等特点，主要结合发生在模板与引物之间；引物的延伸：在d n a 聚合酶 及镁离子等存在的条件下，从引物的3 端开始，结合单核苷酸，形成与模板链互补的 新d n a 链。上述三步为一个循环，从理论上讲，每经过一个循环，样本中的d n a 量应该 4 硅基单反应腔p c r 生物芯片的设计与制作 增加一倍，新形成的d n a 分子又可成为新一轮循环的模板。经过2 5 3 0 个循环后d n a 可扩增l ( ) 6 1 0 ”倍。p c r 技术在实际应用的过程中，温度及循环参数都会对实验结果产 生一定程度的影响。一般来说，变性温度和时间、退火温度和时闯、延伸温度和时间以 及循环次数对实验结果的影响较大。 1 3p c r 芯片简介 1 3 1p o r 仪与p o r 芯片 为了能够有效地进行d n a 扩增，p c r 系统必须满足以下几点基本要求：热均匀性； 温度控制的精确性；重复性；加热和冷却的迅速性；可靠性；试验和操作的 综合成本低；物理尺寸合适。另外，还有扩增反应器的自动化程度及多功能等方面的 要求。 传统的水浴式p c r 仪一般由三个不同温度的水浴槽和机械臂组成，样品管分别浸于 三个水浴槽中，完成变性、退火和延伸三个过程，反应管在每个槽中停留的时间和槽间 移动通过微电脑及其控制的机械臂完成”3 。水浴槽中水份易蒸发，覆盖矿物油可防止蒸 发，但容易造成仪器污染。当前传统p c r 仪一次能做3 2 个或9 6 个小试管的实验，实验 剂量耗费达几百微升，实验时间长达两三个小时，而且由于人为操作的环节相对较多， 实验效率不高。 随着人类基因组计划的实施及生命科学的迅猛发展，需要对大批量样品的快速d n a 扩增，而常规p c r 已经不能满足这个要求。因此，制作微型p c r 生物芯片并将其与芯片 毛细管电泳相连接已成为当前生化分析研究的迫切需要。 p c r 生物芯片是运用微细加工技术，在硅片或玻璃片等材料上加工出一系列的微通 道、微反应池等空间微结构以及微加热器、微传感器等控制部件，充分利用芯片的集成 化和表面积体积比大的特征，把生物实验中常规的p c r 扩增过程最终转移到芯片上实现。 p c r 。卷片是生物芯片的重要分支，是微全分析系统的重要组成部分。利用p c r 芯片来实 现d n a 扩增，设备体积小，试剂消耗量大大减少，成本降低，变温迅速，效果明显，操 作简单，因此，p c r 芯片已经成为当今生物芯片研究的热点之一。 1 3 2 国内外研究进展 目前，国内外都在从事p c r 芯片的制作，国外关于p c r 芯片技术的研究开展得较早。 1 9 9 4 年，w i n d i n g 等”1 首先开展了这方面研究。他们在玻璃基片上刻蚀出4 0 8 0 p r o 深、 可容纳5 一l o p l 样品的微通道和反应室，构成一次性p c r 芯片，在常规热循环仅中达到 了扩增目的。t a y l o r 等“”1 设计的芯片将扩增体积减少到0 5 9 l ，热循环时间比常规p c r 少5 倍。在k o p p 等1 制作的芯片中，样品可在不同温度的恒温区间内流动，经2 0 个循 环，扩增了淋病瑟球菌1 7 6 9 p 的d n a 。另外，c h e n g 等“将p c r 芯片与毛细管电泳芯片相 连，并利用此装置进行了人基因组随机扩增，产物用毛细管电泳分离，其分析结果与常 硅基单反应腔p c r 生物甚片的设计与制作 用方法相一致。w i n d i n g 等“”利用刻蚀在硅片上的一系列3 5 微米大小的水坝式微过滤 器，从全血细胞中分离出白细胞，直接在芯片上加热裂解，释放d n a ，扩增出肌营养不 良蛋白基因，构成典型的细胞分离和p c r 扩增双功能微芯片。 国内在p c r 芯片方面的研究刚刚起步，清华大学、浙江大学、大连理工大学、中科 院大连化物所、中科院微电子研究所、上海微系统与信息技术研究所等都在进行这方面 的研究。但无论国内外，均未达到片上实验室( a b o e c h i p ) 的要求。目前，常见的 p c r 芯片结构主要有如下几种： ( 1 ) 连续流动式p c r 芯片 k o p p 等“”j 制作的连续流动式p c r 芯片是利用微细加工技术在硅片或石英玻璃基板 上实现流动式的微型p c r 芯片，其结构示意图如图1 2 所示。该芯片主要由三个温度稳 l 定控制的恒温带组成，温度分别控制在9 0 。c ，5 4 ，7 2 c 。d n a 样品是通过刻蚀在玻璃 上或硅片上的通道循环加热的，通道的设计保证样品在三个不同的温区循环流动达到高 、温变性、低温退火和中温延伸的目的。当样品流动速度恒定时，样品在某一温区的停留 时间由该温区的长度决定。该设计类似电子器件中的放大器，当d n a 样品从芯片的入口 、端不断注入，输出的产物即为扩增的d n a 样品。连续流动式p c r 扩增芯片的特点是：它 是一个由时间和空间转换而实现p c r 扩增的器件，样品在每一个温度带中停留的时间取 决于设计的路径，最快的加热和冷却时间的转换小于l o o m s ，2 0 个循环约需时间9 0 s 到 】8 7 m i i l 。 a ：9 8 c 空性 b72 延1 申 c5 4 琅火 图1 2 连续流动p c r 芯片结构图 ( 2 ) p c r 微池芯片 中科院上海微系统研究所研制的p c r 微池芯片“”采用石英玻璃材料。芯片的制作主 要采用紫外曝光光刻、i 巾酸体系湿法腐蚀、机械打孔和化学键合等工艺。整个微池芯片 的尺寸为5 0 r a m 5 0 m m ，微池呈圆柱形，深为l m m ，直径为3 m m ，体积为8 儿。单个芯片 上可以集成多个反应池，可以同时进行多个p c r 扩增。图1 3 给出了具有四个反应池的 p c i ( 微芯片。微j 占片的温度控制借助于常规p c r 仪的加热平台。由于芯片上的温度和p c r 仪所显示的温度有一定的偏差，为了准确测定芯片微池内的温度及其变化情况，将p t l o o 热电阻固定在微池内测定温度。为获得p c r 扩增所需要的温度循环，通过实验调整p c r 仪的加热控温程序，并用热敏电阻测量进行校正。 6 硅基单反应腔p c r 生物芯片的设计与制作 玻璃盖板 一 幽l | 3p c r 微池芯片 f i g 13m i c r o c h a m b e rp c rc h i p ( 3 ) 阵列型p c r 芯片 n a g a i 等”“”制作的阵列型芯片是在硅片或玻璃基片上刻蚀出整齐排列的微型反应 室，例如1 6 x1 6 个反应室，同常规的p c r 循环仪一样具有平行d n a 扩增的功能。微反 应室被密封后放在恒温块上加热，通过手柄在不同温度的恒温块上移动( 如图1 4 所示) 。 硅微井结构的p c r 扩增芯片的最大优点是降低成本，提高效率。 图14 阵列型p c r 芯片 f i g 14m i c r o c h a m b e r a r r a yp c rc h i p 1 3 3 本文的选题思想 作为生物芯片的重要组成部分，p c r 芯片有着巨大的应用潜力。虽然目前国内外已 经有人在这方面做了较多的研究，并且取得了一定的成果。但是，在p c r 微芯片的材 料选取、制作工艺、功能单元结构、尺寸参数、系统集成及结构优化等诸多方面，还有 很多技术问题没有得到很好的解决，还留有很大的研究空间。 上述几种p c r 芯片的加热装曼和测温元件与芯片是分离的：连续流动式的p c r 芯片 和阵列型p c rj 卷片是利用三个恒温块进行加热，还有的利用红外聚光灯进行加热”9 “3 。 总之，出于加热器和测温部分与p c r 芯片分离，整个反应仪器体积较大，控制复杂，不 便于操作。 虽然在玻璃和有机聚合物上容易实现热绝缘，但很难在它们上面集成加热器和温度 传感器，而硅基微细加工技术和薄膜制备技术已经发展得比较成熟，因此在硅片上更容 易实现集成化。本课题正是基于上述思想，选择单晶硅材料，利用微细加工技术将微加 7 硅基单反应腔p c r 生物芯片的设计与制作 热器、微传感器和微反应室集成在一起构成p c r 芯片，再配以相应的智能温度控制系统， 将在很大程度上减少p c r 芯片外围设备的复杂性，使便携式p c r 成为可能。 本课题源于导师的自然科学基金项目，工艺制作在我校m e m s 技术中心的实验室完 成。 8 硅基单反应腔p c r 生物芯片的设计与制作 2 传热学基本理论与a n s y s 的热分析 由p c r 原理可知，扩增反应要求反应液的受热温度分布均匀，温度控制快速准确。 因此，芯片的温度分布和热特性直接影响扩增效果，在工艺实现之前对所设计的p c r 芯 片进行理沦上的分析是十分必要的。本文运用a n s y s 软件进行了仿真分析，涉及到的传 热学基本理论“1 ”。与a n s y s 的热分析方法。3 1 在此做简单论述。 2 i 传热学基本理论 2 1 1 三种基本传热方式 ( 1 ) 传导 当物体内部存在温度差时，热量将从高温部分传递到低温部分，温度不同的物体相 互接触时热量会从高温物体传递到低温物体，这种热量传递的方式称为热传导。如图2 1 所示。 。 图2 1 热传导示意图 f i g 2 1s c h e m a t i cd r a w i n go ft h e r m a lc o n d u c t i o n 图2 1 中的左右两个表面均维持恒定温度，分别为瓦。和瓦“，且存在一定温差 ( 瓦。 l 。，) ，热量从左侧平面向右侧平面传递，且满足关系 q 触( 瓦。一疋w )r 9 1 、 了一i 一 7 式中：q 为时间t 内的传热量；k 为热传导率；t 为温度；a 为平面面积；d 为两平面 间的距离。 ( 2 ) 对流 对流是指温度不同的各部分流体之间发生相对运动所引起的热量传递方式。高温物 体表面常常发生对流现象。这是因为高温表面附近的空气因受热而膨胀，密度降低并向 上流动，与此同时，密度较大的冷空气将下降并代替原来的受热空气。 对流换热的基本计算公式是牛顿冷却公式： 流体被加热时 q = h ( t 。一t ，) t 2 - 2 j 9 硅基单反应腔p c r 生物芯片的设计与制作 流体被冷却时 g = h ( f ，一f 。)( 2 - s ) 式中，f 。k , t ，分别为壁面温度和流体温度，比例系数 为对流换热系数，它不仅取决于 流体的物性以及换热表面的形状，而且还与流速有密切的关系。 ( 3 ) 辐射 与传导和对流不同，热辐射是通过电磁波的方式传递能量的过程。辐射不需要物体 之闯的直接接触，也不需任何中间介质。 物体辐射量的计算可以采用s t e f a n b o t t z m a n n 定律的修正形式： 击= 岱o r 4 式中： 为实际物体的辐射率( 或称为黑度) ，它的数值处于o 1 之间 力学温度；盯黑体辐射常数；s 为辐射表面积。 ( 2 4 ) 7 1 为黑体的热 任何物体都在不断地向周围空间发射辐射能，并吸收来自空间其他物体的辐射能。 这种辐射和吸收过程的综合作用即为辐射换热过程。 2 1 。2 热分析材料属性 用a n s y s 进行热分析时，需要给出每一实体的材料属性。与热分析直接相关的属性 包括：热传导率、比热容、焓、对流换热系数、辐射系数、生热率。对于稳态分析，一 般只需定义热传导率，它可以是恒定的，也可以是随温度变化。热传导率和对流换热系 数的物理意义已在三种基本传热方式中给出，除此之外，本文所涉及的材料属性有比热 容和生热率： ( 1 ) 比热容( s p e c i f i ch e a t ) 比热容是指单位质量的物质每升高( 或降低) 1 所吸收( 或放出) 的热量，单位： j ( k a ) 。通常，热量变化与温度变化的关系可表达为： q = c m a t ( 2 - 5 ) 上式中，q 为热量，r t t 为质量，丁为温度的变化量( r = 珞一) ，c 为比热容。如 果发生相变，上述关系式不再成立。 ( 2 ) 生热率( h e a tg e n e r a t i o nr a t e ) 生热率既可用作材料属性赋予材料，又可用作体载荷施加到单元上，用以模拟化学 反应生热或电流生热，其单位是单位体积的热流率。 2 1 3 三类边界条件 为了使每一节点的热平衡方程具有唯一解，需要附加一定的边界条件和初始条件 统称为定解条件。 第一类边界条件是指物体边界上的温度函数为己知，用公式表示为： 1 0 硅基单反应腔p c r 生物芯片的设计与制作 或 ( 2 - 6 ) ( 2 7 1 式中，r 为物体边界，咒为已知壁面温度( 常数) ，f ( x ，y ，f ) 为已知温度函数( 随时间 位置而变) 。 第二类边界条件是指物体边界上的热流密度q 为已知，用公式表示为： 一k o t r ：g ( 2 - 8 ) 或一k _ o t r ：g ( x ，y ，f ) ( 2 - 9 ) 式中q 为已知热流密度( 常数) ；g ( x ，y ，f ) 为已知热流密度函数。 第三类边界条件是指与物体相接触的流体介质的温度，和换热系数d 已知。用公式 表示为： 一t 豢卜咿一肛( 2 - 1 0 ) ，和口可以是常数，也可以是随时间和位置而变化的函数。 2 1 。4 初始条件和热载荷 示为 或 初始条件是指传热过程开始时物体在整个区域中所具有的温度为已知值，用公式表 r b2 瓦 丁k 2 妒( x ，y ) ( 2 一1 1 ) ( 2 1 2 ) 式中，r 、为一已知常数，表示物体初始温度是均匀的：p ( x ，y ) 为已知函数，表示物体初 始温度是非均匀的。 a n g y g 共提供了五种载荷，可以施加在实体或单元模型上，包括：温度、热流率、 对流、热流密度和生热率： ( 1 ) 温度 作为第一类边界条件，施加于温度已知的边界上。 ( 2 ) 热流率 热流率( h e a tf l o w ) 是一种节点集中载荷，主要用于线单元模型。如果温度与热流 率同时施加在一节点上，则a n a s y s 读取温度值进行计算。 硅基单反应腔p c r 生物芯片的设计与制作 ( 3 ) 对流 对流( c o n v e c t i o n ) 是一种面载荷，它施加于实体的外表面，用于计算流体与实体 的热交换。对流只能施加于实体和壳模型上，对于线模型，可以通过对流线单元l i n k 3 4 考虑对流。 ( 4 ) 热流密度 热流密度，又称热通量( h e a tf l u x ) ，单位为w m 2 。热流密度是一种面载荷，表示 通过单位面积的热流率。当通过单位面积的热流率已知时，可在模型相应的外表面施加 热流密度。若输入值为正，则表示热流流入单元；反之，则表示热流流出单元。热流密 度也仅适用于实体和壳体单元，它与对流可以施加在同一外表面，但a n s y s 仅读取最后 施加的面载荷进行计算。 ( 5 ) 生热率 生热率既可用作材料属性，又可作为载荷施加在单元上。 2 1 5 热分析的分类 ( i ) 稳态传燕 如果系统的净热流率为0 ，即流入系统的热量加上系统自身产生的热量等于流出系 统的热量：q 流八+ g 生成+ g 流= 0 ，则系统处于稳态。在稳态热分析中任一节点的温度不 随时间变化，其能量平衡方程为( 以矩阵形式表示) ： 医】p = q ) ( 2 一】3 ) 式中：k 1 为传导矩阵，包含导热系数、对流系数及辐射率和形状系数：妒) 为节点温度 向量； q 为节点热流率向量，包含热生成。 ( 2 ) 瞬态传热 瞬态传热过程是指一个系统的加热或冷却过程，在这个过程中系统的温度、热流率、 热边界条件以及系统内能随时间都有明显变化。根据能量守恒原理，瞬态传热可以用公 式表达为： c 丁2 + k 】 丁) = q ) ( 2 1 4 ) 式中：k 1 为传导矩阵，包含热系数、对流系数及辐射率和形状系数：【c 为比热容矩阵； r 为节点温度向量；哥n 为温度对时间的导数； q ) 为节点热流率向量，包含热生成。 在具体的传热过程中，材料性能、边界条件等可能会随温度发生变化，此时上述公 式将更换为： 【c ( 丁) 】 r 8 ) + k ( 7 1 ) 丁) = l o g ) ( 2 一1 5 ) 这类问题又称为非线性热分析。非线性热分析包括如下情况： 材料热性能是温度的函数，如k ( t ) ，c ( t ) 等； 边界条件随温度发生变化，如h ( t ) 等； 1 2 硅基单反应腔p c r 生物芯片的设计与制作 涉及辐射传热。 2 2 a n s y s 软件及其在热分析中的应用 本文采用美国a n s y s 公司的大型有限元分析软件a n s y s 程序包。a n s y s 程序是由美 国a n s y s 公司开发的、功能强大的有限元工程设计分析及优化软件包，是第一个通过 z s 0 9 0 0 1 质量认证的分析设计类软件。该软件是美国机械工程师协会( a s m e ) 、美国核安 全局i n c a ) 及近二十种专业技术协会认证的标准软件”“，与当前流行的其它有限元软件 相比，a n s y s 有明显的优势。 2 2 1 a n s y s 的主要技术特点及分析功能 a n s y s 具有能实现多场及多场耦合分析的功能，是唯一能够实现前后处理、分析求 解及多场分析统一数据库的大型有限元软件。和其它有 艮元软件相比，a n s y s 的非线性 分析功能更加强大，网格划分更加方便，并具有更加快速的求解器；同时，a n s y s 是最 早采用并行计算技术的有限元软件，它支持从微机、工作站、大型机直至巨型机等所有 硬件平台，并可与大多数的c a d 软件集成并有交换数据的接口。a n s y s 模拟分析问题的 最小尺寸可在微米量级，同时，国际上也公认其适于m e m s 器件的模拟分析，这是其他有 限元分析软件所无法比拟的。 a n s y s 有限元软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析 软件，可广泛用于核工业、机械制造、电子、土木工程、国防军工、日用家电等一般工 业及科学研究领域，其主要分析功能包括以下几个方面： ( 1 ) 结构分析包括线性、非线性结构静力分析，结构动力分析( 包括模态和瞬态) ， 断裂力学分析，复合材料分析，疲劳及寿命估算分析，超弹性材料的分析等。 ( 2 ) 热分析程序可处理热传递的三种基本类型：传导、对流和辐射。热传递的三 种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。热分析还具有可以模拟材料固化和熔 解过程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热一结构耦合分析能力。本文中主要 是采用a n s y s 软件的热一应力耦合部分完成集成电路工作过程中的温度场与应力场的分 析与模拟工作。 ( 3 ) 高度非线性结构动力分析包括接触分析，金属成型分析，整车碰撞分析，焊 接模拟分析，多动力学分析等。 ( 4 ) 流体动力学分析包括层流分析，湍流分析，管流分析，牛顿流与非牛顿流分 析，内流与外流分析等。 ( 5 ) 电磁场分析包括电路分析，静磁场分析，变磁场分析，高频电磁场分析等。 ( 6 ) 声学分析包括水下结构的动力分析，声波分析，声波在固体介质中的传播分 析，声波在容器内的流体介质中传播分析等。 ( 7 ) 多场耦合分析包括电场一结构分析，热一应力分析，磁一热分析，流体一结构分 析，流体流动一热分析，电磁热流体一应力分析等。 ( 8 ) 其它如设计灵敏度及优化分析；死活单元分析；子模型及子结构分析等。 硅基单反应腔p c r 生物芯片的设计与制作 2 2 2 a n s y s 的处理器 a n s f s 按功能可划分为若干个处理器：包括一个前处理器、一个求解器、两个后处 理器、几个辅助处理器( 如设计优化器等) 。 ( 1 ) 前处理器前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可 以方便地构造有限元模型，指定随后求解中所需的选项。它采用直接建模和实体建模、 自顶向下与自底向上建模相结合的建模方式；具有多达数十种的元素库，可以模拟任意 复杂的几何形状，强大的布尔操作功能可以实现模型的细“雕刻”，方便的拖拉、旋转、 拷贝、蒙皮、倒角等工具大大地缩短了建模的时间；a n s y s 具有丰富的网格划分工具， 确保了单元形态及求解精度，其网格划分类型包括：自由网格划分、映射网格划分、智 ! 能网格划分及自适应网格划分。值得一提的是a n s y s 的实体建模和网格划分功能： 实体建模：a n s y s 程序提供了两种实体建模方法：自顶向下与自底向上。 、自顶向下进行实体建模时，用户定义一个模型的最高级图元，如球、棱柱，称为基 。元，程序则自动定义相关的面、线及关键点。用户利用这些高级图元直接构造几何模型， 如二维的圆和矩形以及三维的块、球、锥和柱。无论使用自顶向下还是自底向上方法建 模，用户均能使用布尔运算来组合数据集，从而“雕塑出”一个实体模型。a n s y s 程序 提供了完整的布尔运算，诸如相加、相减、相交、分割、粘结和重叠。在创建复杂实体 模型时，对线、面、体、基元的布尔操作能减少相当可观的建模工作量。a n s y s 程序还 提供了拖拉、延伸、旋转、移动、延伸和拷贝实体模型图元的功能。附加的功能还包括 圆弧构造、切线构造、通过拖拉与旋转生成面和体、线与面的自动相交运算、自动倒角 生成、用于网格划分的硬点的建立、移动、拷贝和删除。 自底向上进行实体建模时，用户从最低级的图元向上构造模型，即：用户首先定义 关键点，然后依次是相关的线、面、体。 网格划分：a n s y s 程序提供了使用便捷、高质量的对c a d 模型进行网格划分的功 能。包括四种网格划分方法：延伸划分、映像划分、自由划分和自适应划分。延伸网格 划分可将一个= 维网格延伸成一个三维网格。映像网格划分允许用户将几何模型分解成 简单的几部分，然后选择合适的单元属性和网格控制，生成映像网格。a n s y s 程序的自 由网格划分器功能十分强大，可对复杂模型直接划分，避免了用户对各个部分分别划分 然后进行组装时，各部